DE102014207447A1

DE102014207447A1 - Beschichtetes Stahlbauteil, Verfahren zur Herstellung des Stahlbauteils und Herstellungsanlage

Info

Publication number: DE102014207447A1
Application number: DE102014207447.9A
Authority: DE
Inventors: Ralph Domnick; Mathias Belzner; Schleichert Edward
Original assignee: Magna International Inc
Current assignee: Magna International Inc
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2015-10-22
Also published as: CN106232859B; EP3132068B1; CN106232859A; EP3132068A1; US20170029956A1; WO2015157850A1; EP3132068A4; US10648086B2

Abstract

Es wir ein beschichtetes Stahlbauteil vorgeschlagen, wobei ein Substrat aus Stahlblech einem Warmumformungsprozess zuführbar ist und eine nichtmetallische Beschichtung auf Siliziumbasis in einem Schichtaufbau besitzt, wobei drei funktionale Schichten der Zusammensetzung SiOxNyCz vorhanden sind, wobei x zwischen 30 und 70 % liegt, y zwischen 0 und 35% und z zwischen 0 und 50% liegt.

Description

Die Erfindung geht aus von einem beschichteten Stahlbauteil, das einem Warmumformungsprozess unterworfen ist und eine nichtmetallische Beschichtung auf Siliziumbasis aufweist. Weiterhin geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur Herstellung von beschichteten Stahlbauteilen in einen reaktiven Kathodenzerstäubungsverfahren sowie einer Herstellungsanlage zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Kraftfahrzeugkomponenten werden oft durch Warmformen eines kaltgewalzten oder warmgewalzten Stahlblechs hergestellt. Beispiele für solche Automotive-Stahlprodukte sind Fahrzeugsäulen, Träger, Stoßstangen, Schweller, Kraftstofftankanlagen, Schweller, Türrahmen und Komponenten wie Teile des Boden des Kraftfahrzeugs. Die Warmumformung bei einer Temperatur größer als 700 ° C durchgeführt und besteht oftmals aus Warmprägung des Stahlblechs. Die Warmumformung erhöht die mechanische Festigkeit und verbessert andere physikalische Eigenschaften des Stahlblechs. Allein aufgrund der hohen Temperaturen während der Warmumformung entstehen Oxide und es bildet sich Zunder und Korrosion aus oder es erfolgt eine Entkohlung der Oberfläche des Stahlblechs, so dass die mechanische Festigkeit reduziert ist und die Werkzeugen während der Warmumformung stark abgenützt werden. Diese Oberflächeneffekte führen auch zu einer schlechten Haftung und machen es schwierig, die Oberfläche des Bauteils zu lackieren. Das heiße Stahlformteil kann kugelgestrahlt werden, um die Oberflächendefekte zu entfernen, was aber ein hohes Maß an Energie erfordert und eventuell das Bauteil negativ beeinflusst.
Aus der WO2013166429 ist eine Beschichtung für ein Stahlbauteil bekannt, das eine nichtmetallische Schicht aus mindesten Silizium und Kohlenstoff verwendet, um die Oberflächeneffekte vor und während des Warmumformungsprozesses zu verbessern und gegebenenfalls zu vermeiden. Die nicht-metallische Beschichtung weist eine Vielzahl von einzelnen Schichten, vorzugsweise ein bis drei verschiedene Schichten auf. Die Schichten haben zusammen eine Gesamtdicke von nicht mehr als 300 nm, und vorzugsweise nicht mehr als 100 nm.
Es ist Aufgabe der Erfindung das Schichtsystem für eine Serienproduktion zu vereinfachen und den Schichtaufbau in die jeweilige Schichtdicke zu minimieren, ohne die gewünschten Eigenschaften zu verlieren.
Das Ziel ist es ein Schichtsystem zu erhalten das die folgenden Eigenschaften aufweist:

a) Metallfrei, d.h. die Beschichtung enthält keine Metalle, Legierungen und auch keine metallischen Komponenten in Verbindungen z.B. keine Metalloxide, -nitride wie Al2O3 oder TiO2.
b) Die Beschichtung enthält nur Verbindungen der Form NMOxNyCz, wobei x, y, z die relativen Mengenanteile der einzelnen Elemente O (= Sauerstoff), N (=Stickstoff), C (=Kohlenstoff) angeben. NM steht für ein Nichtmetall, z.B. Silizium.
c) Die Beschichtung besteht aus einer oder mehreren Schichten, die eine Gesamtschichtdicke von 100 nm, vorzugsweise 50 nm nicht überschreiten.
d) Die Beschichtung zeigt eine sehr gute Haftung zur Stahloberfläche.
e) Die Beschichtung ist hochtemperaturbeständig und lässt sich bei hohen Temperaturen (mehrere 100 °C, insbesondere zwischen 800 °C und 1000 °C) bearbeiten, z.B. mit dem Stahlsubstrat umformen.
f) Die Beschichtung selbst ist korrosionsbeständig und schützt infolge Ihrer Dichtigkeit auch die mit dieser Beschichtung versehene Stahloberfläche vor Korrosion.
g) Die Beschichtung kann auf Großserienproduktionsanlagen appliziert werden und kann daher auf großen Mengen Stahl, der entweder als Band vorliegt oder als flache Stahlbleche, kostengünstig und mit hoher Prozess- und Schichtstabilität appliziert werden.
h) Hohe thermische Beständigkeit, guter Korrosionsschutz und Zunderverhalten, gutes Umformverhalten nach Tempern und sehr gute Haftungseigenschaften auf Stahloberflächen
i) Gute Verträglichkeit in Verbindung mit KTL-Toplackierungen (Kathodische Tauchlackierung)
j) Geringer Reibwiderstand (Mindestanforderung: unbehandelte Stahlplatine)
k) Hohe Absorption im IR-Bereich um eine kurze Aufheizphase zu erzielen.

Gelöst wird die Aufgabe mit einem beschichteten Stahlbauteil, wobei ein Substrat aus Stahlblech einem Warmumformungsprozess zuführbar ist und eine nichtmetallische Beschichtung auf Siliziumbasis in einem Schichtaufbau besitzt, und wobei drei funktionale Schichten der Zusammensetzung SiOxNyCz vorhanden sind, wobei x zwischen 30 und 70 % liegt, y zwischen 0 und 35% und C zwischen 0 und 50% liegt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Stahlbauteils hat eine Haftvermittlungsschicht, eine Diffusionsbarriere und eine dritte Schicht, die in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel derart ausgeführt ist, dass diese dritte Schicht der ersten Haftvermittlungsschicht ähnlich ist.
Vorteilhafterweise ist in der Haftvermittlungsschicht (1) und der dritten Schicht (3) nahezu kein Stickstoff vorhanden.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist in der dritten Schicht ein Kohlenstoffanteil von ≠ 0 bis zu 50% vorhanden.
Es ist von Vorteil, wenn in der Diffusionsbarriere (2) ein Stickstoffanteil von 34% vorhanden ist.
Es ist von Vorteil, dass in zwischen den Schichten Übergänge (11) mit Gradienten von Stickstoffanteilen vorhanden sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Stahlbauteils unter Verwendung einer reaktiven Kathodenzerstäubung ist vorteilhafterweise mit den folgenden Schritte ausführbar: Vorbereiten (40) des Substrats (10), Reinigen des Substrats mit einem Plasma (41), Aufbringen der Schichten (42, 43, 44), Entnahme (45) des Substrats.
Es ist von Vorteil, dass die Verfahrensschritte (41 bis 44) in einer Prozesskammer stattfinden.
Es ist von Vorteil, dass die Verfahrensschritte (42 bis 44) unter gleichen Prozessdruck stattfinden und nur ein einziges Target (Silizium) benötigen.
In einer weiteren Ausführungsvariante werden in dem Verfahrensschritt 44, d.h. dem Aufbringen der dritten Schicht ein weiteres Target (Kohlenstoff) benötigt.
Es ist von Vorteil, dass die Verfahrensschritte (41 bis 44) allein die Prozessgase Argon, Sauerstoff und Stickstoff in unterschiedlichen Konzentrationen vorwenden.
Es ist von Vorteil, dass die Herstellungsanlage zur Durchführung des Verfahrens eine in-line Anlage ist oder eine roll-to-roll Anlage ist.
Beschreibung der Erfindung
Die nachfolgende Beschreibung zeigt beispielshafte Ausführungsformen.
1 zeigt einen Schichtaufbau,
2 zeigt schematisch den Verfahrensablauf; und
3a, 3b zeigen jeweils eine Herstellungsanlage für das Verfahren.
1 zeigt ein metallfreies Dreischichtsystem, bestehend aus Silizium, Sauerstoff, Stickstoff mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung. Auf ein Substrat 10 werden drei Schichten 1, 2, 3 aufgebracht. Die erste Schicht, SiOx1[Ny1][Cz1], ist eine Haftvermittlungsschicht 1 zwischen der Substratoberfläche und der folgenden Diffusionsbarriere 2. Sie entspricht in ihrer Zusammensetzung nahezu SiO2, aber die Zugabe von Stickstoff während ihrer Abscheidung verbessert ihre Hafteigenschaften und wirkt prozessstabilisierend und -beschleunigend und optimiert das Umformverhalten des gesamten Schichtverbundes. Der Kohlenstoffanteil beträgt 0%. Die dünne SiOx1[Ny1][Cz1]-Schicht zu Beginn ist notwendig, um eine gute Haftung des Dünnschichtsystems auf der Stahloberfläche zu gewährleisten. Insbesondere ermöglicht diese Schicht, eine Plasmareinigung, Glimmentladung, Aufheizen oder sonstige Reinigung des Substrats in Vakuum zu umgehen, die normalerweise notwendig ist, um eine gute Haftung auf der Substratoberfläche sicherzustellen. Dadurch werden die -Gesamtinvestitionskosten für eine entsprechende Produktionsanlage eingespart und die Produktionszeiten verkürzt.
Die zweite Schicht ist die Diffusionsbarriere 2. Die Schichten werden hintereinander aufgetragen, wobei der Übergang zwischen den Materialien nicht abrupt erfolgen darf, sondern einen Gradienten aufweisen muss. Nach Fertigstellung der ersten Schicht wird durch das Schließen des Stickstoff-Ventils im Herstellungsprozess ein wenige Nanometer starker Übergangsbereich 11 generiert, in dem der Sauerstoffanteil kontinuierlich mit einem vorherbestimmten Gradienten reduziert wird, bis die zweite Schicht, die Diffusionsbarriere 2 im Verbund, SiOx2Ny2[Cz2], abgeschieden wird, die im Wesentlichen SiO mit einem hohen Anteil an Stickstoff entspricht. Der Kohlenstoffanteil beträgt 0%. Der kontinuierliche Übergang zwischen SiOx[N] und SiOx führt zu einer sehr guten Haftung der beiden Verbindungen untereinander. Außerdem wird so eine Vorrichtung zur Gastrennung eingespart, die zusätzliche Kosten verursachen würde. Die zweite Schicht hat aufgrund ihrer Dichtigkeit im Wesentlichen die Funktion einer Diffusionsbarriere als Korrosions- und Zunderschutz. Zwar reduziert der Sauerstoff-Anteil in dieser zweiten Schicht deren „Dichtigkeit“, aber gleichzeitig reduziert er deren „Sprödigkeit“ und verbessert damit deren Umformverhalten des Bauteils, ohne dass es zur Ablösung der Schicht kommt. Zusätzlich kann bei Akzeptanz eines gewissen Sauerstoffanteils in dieser Schicht der Herstellungsprozess vereinfacht werden, indem auf eine Gastrennung der Produktionsanlagen verzichtet werden. Weiterhin verbessert der Sauerstoffgehalt in dieser Schicht auch die Haftung zu der dritten und letzten Schicht 3, SiOx3[Ny3][Cz3] bzw. SiOx3Ny3Cz3. In einer vorteilhaften Ausführungsform A1 ist diese dritte Schicht sehr ähnlich zu der ersten Schicht aufgebaut und entspricht im Wesentlichen SiO2. Der Kohlenstoffanteil beträgt 0%. Die Eigenschaften und Vorteile entsprechen hier denen der ersten Schicht 1. Hinzu kommen eine sehr gute Anhaftung zu KTL-Oberflächen und eine Reduktion des Reibungsverhaltens des Gesamtschichtsystems zustande.
In einer weiteren Ausführungsform A2 ist die dritte Schicht unterschiedlich zu der ersten Schicht ausgebildet und besitzt einen Kohlenstoffanteil von bis zu 50%. Bei dieser kohlenstoffhaltigen dritten Schicht lässt sich eine gute Anhaftung bezüglich einer anschließenden KTL-Behandlung erreichen. Weiterhin lassen sich in Abhängigkeit des Kohlenstoffanteils die Absorptionseigenschaften der Beschichtung beeinflussen.
Die einzelnen Schichten sind durch die nachfolgend angegebenen Parameter Dicke und chemische Zusammensetzung definiert.
Schichtdicken des Gesamtschichtsystems soll deutlich unter 100 nm liegen, im optimalen Fall 50 nm betragen.
Die Einzelschichtendicken betragen dabei in einer vorteilhaften Ausführungsform A1:

• Erste Schicht, Haftvermittlungsschicht 1: SiOx1[Ny1][Cz1] = 5–40 nm, bevorzugt ca. 10 nm,
• Zweite Schicht, Diffusionsbarriere SiOx2Ny2[Cz2] = 5–80 nm, bevorzugt ca. 20 nm,
• Dritte Schicht SiOx3[Ny3][Cz3] = 5–20 nm, bevorzugt ca. 15 nm.

Die chemische Zusammensetzung beträgt(in at.-%) in der vorteilhaften Ausführungsform A1:
SiOx1[Ny1][Cz1] ≈ SiOx3[Ny3][Cz3]: Silizium = 32 %, Sauerstoff = 68 %, Stickstoff = 0%, Kohlenstoff = 0%
SiOx2Ny2[Cz2]: Silizium = 37 %, Sauerstoff = 30 %, Stickstoff = 34 %, Kohlenstoff= 0%.
Die Einzelschichtendicken betragen dabei in einer weiteren Ausführungsform A2:

• Erste Schicht, Haftvermittlungsschicht 1: SiOx1[Ny1][Cz1] = 5–40 nm, bevorzugt ca. 10 nm,
• Zweite Schicht, Diffusionsbarriere SiOx2Ny2[Cz2] = 5–80 nm, bevorzugt ca. 20 nm,
• Dritte Schicht SiOx3Ny3Cz3 = 5–20 nm, bevorzugt ca. 15 nm.

Die chemische Zusammensetzung beträgt(in at.-%) in der weiteren Ausführungsform A2:
SiOx1[Ny1][Cz1]: Silizium = 32 %, Sauerstoff = 68 %, Stickstoff = 0%, Kohlenstoff = 0%
SiOx2Ny2[Cz2]: Silizium = 37 %, Sauerstoff = 30 %, Stickstoff = 34 %, Kohlenstoff= 0%.
SiOx3Ny3Cz3: Silizium = 32 %, Sauerstoff < 68 %, Stickstoff > 0%, Kohlenstoff max. 50%
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung werden geeigneten Beschichtungsanlagen verwendet, in denen das Verfahren ablaufen kann. Das nachfolgende Beispiel einer Anlage soll dabei nicht limitierend sein, der Fachmann kann auch jede andere Anlage zur Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung verwenden. Es kann eine Inline- oder eine Roll-to-Roll-Anlage verwendet werden, mit der die Beschichtung durch reaktives Sputtern auf eine Stahloberfläche aufgebracht wird. In-Line Anlagen sind linear konstruiert: Die Lade-Beschichtungsbewegung erfolgt linear von einem Beschichtungsprozess zum anderen in separaten Kammern, die eventuell mittels Schiebern getrennt werden können. Die Installation der Durchlaufanlage ist einfach und sie ist bestens geeignet für die Produktion von harten Schichten. In den Roll-to-Roll-Verfahren wird die auf einer Rolle aufgewickelte Substratfolie, d. h das Stahlblech über eine Ladekammer eingeschleust, dann im Laufe des Prozesses abgewickelt, beschichtet und in der Ausladekammer wieder aufgewickelt.
Als Stahlsubstrate kommen sämtliche nicht-rostfreien Stähle in Frage. Im Falle einer In-line-Anlage werden die bis zu ca. 3 × 6 m großen Stahlbleche mit einer Dicken von bis zu 30 mm in Form von Magazinen 20 in die Anlage eingebracht. In einem Magazin 20 liegen bis zu 10 Bleche übereinander und können so über eine geeignete Vorrichtung direkt nacheinander der Beschichtung zugeführt werden, indem Sie horizontal unter oder zwischen den Sputtertargets entlang gefahren werden.
Die Inline-Anlage ist aus mindestens drei durch Vakuumventile voneinander getrennten Vakuumkammern 21, 22, 23 aufgebaut. Die Magazine mit den Stahlblechen werden einzeln zuerst in die erste Vakuumkammer 21 verbracht, in der die Evakuierung stattfindet auf einen Druck von weniger als 20 mPa. Dann wird das Ventil zur zweiten Vakuumkammer 22 geöffnet und das Magazin in die zweite Vakuumkammer 22 verbracht, in der die Plasma-Oberflächenreinigung der Stahlbleche und die anschließende Beschichtung selbst stattfindet. Nach dem Einbringen des Magazins 20 in die zweite Vakuumkammer 22 wird das Ventil zur zweiten Vakuumkammer 22 geschlossen und die erste Vakuumkammer 21 wird belüftet, um das nächste Magazin von außen aufnehmen zu können. In der zweiten Vakuumkammer 22 werden die Stahlbleche direkt nacheinander plasmagereinigt und beschichtet und anschließend wieder flach übereinander gestapelt in Form eines Magazins. Auf die Plasmareinigung kann auch verzichtet werden. Nach der Beschichtung in der zweiten Vakuumkammer 22 wird das Ventil zur dritten Vakuumkammer 23 geöffnet, welche vorher auf einen Druck von von 20 mPa oder weniger evakuiert wurde und es wird das Magazin mit den beschichteten Stahlblechen in die dritte Vakuumkammer 23 verbracht, das Ventil zur zweiten Vakuumkammer 22 geschlossen und die dritten Vakuumkammer 23 belüftet, um das Magazin daraus mit den fertig beschichteten Stahlblechen entnehmen zu können. Für den Aufbau der Magazine sowie die Struktur der Anlage wählt der Fachmann jede geeignet Lösung. Eine zweite Anlagevariante ist eine Roll-to-Roll-Beschichtungsanlage, in die das zu beschichtende Stahlsubstrat als Bandmaterial eingebracht und beim Durchlauf durch die Anlage kontinuierlich beschichtet wird.
Entweder befindet sich das gesamte Stahl-Rollenmaterial im Vakuum oder die Auf- und Abwickeleinheit für das Stahlband befinden sich außerhalb der Vakuumkammer mit Sputtereinheit. Je nachdem müssen die Vakuumkammer oder die Kammern ausgelegt sein. Bei Verwendung einer Auf-Abwicklungseinheit 30, 31 außerhalb der Vakuumkammer 32, wird das Bandmaterial durch enge Schleusen mit Dichtlippen ein- und ausgeführt, so dass der Unterdruck in der Vakuumkammer nahe zu stabil niedrig erhalten bleibt.
Zur Herstellung des Gesamtschichtsystems sind für die erste vorteilhafte Ausführungsform A1 lediglich Silizium-Targets und Argon, Sauerstoff sowie Stickstoff als Prozessgase erforderlich. Für die weitere Ausführungsform A2, bei der der Kohlenstoffanteil in der dritten Schicht ≠ 0% beträgt sind zusätzlich Kohlenstoff-Targets erforderlich. Der eigentliche Beschichtungsprozess findet dabei in einer Kammer statt. Die zu beschichtende Stahloberfläche ist vor dem Prozess staub- und fettfrei zu halten. Anschließend wird die zu beschichtende Stahloberfläche vor der Beschichtung in einem Plasma, bestehend aus Argon, Stickstoff oder Sauerstoff oder einem Gemisch aus diesen Gasen aktiviert und von Oberflächen-Absorbern gereinigt. Alternativ kann der Verfahrensschritt „Reinigung“ entfallen.
Ausführungsform A1:
Die erste Schicht, die Haftvermittlerschicht 1 wird als SiOx1[Ny1][Cz1]-Verbindung gewählt, die eine optimale Haftung zur Stahloberfläche gewährleistet. Diese erste Schicht wird mit folgenden Parametern durch kathodische Zerstäubung aufgebracht:
Ar = 300 mln, N2 = 30 mln, O2 = 80 mln;
P = 2,84 W / cm2;
Schichtdicke = ca. 12 nm
(mln= Milliliter normal, P= Druck in W/ cm2).
Für die darauf folgende Schicht, die Diffusionsbarriere 2 SiOx2Ny2[Cz2] werden die Prozessparametereinstellungen so gewählt, dass sich eine sehr glatte, feinkörnige Schichtstruktur ergibt, die sehr dicht ist und daher vor Korrosion schützt:
Ar = 300 mln, N2 = 100mln
P = 2,84 W / cm2;
Schichtdicke = ca. 20nm.
Die dritte Schicht SiOx3[Ny3][Cz3] wird anschließend mit folgenden Parametern aufgebracht:
Ar = 300 mln, N2 = 50 mln, O2 = 50 mln;
P = 2,84 W / cm2;
Schichtdicke = ca. 15 nm.
Man erkennt, dass alle Schichten bei demselben Prozessdruck abgeschieden werden und sich nur die Zusammensetzung der Prozessgase verändern. Damit kann der gesamte Ablauf in einer Sputteranlage ohne Unterbrechung und kontinuierlich erfolgen.
Bei der Herstellung der Ausführungsform A2 werden die erste und die zweite Schicht mit den oben angegebenen Prozessparametern aufgebracht.
Die dritte Schicht SiOx3Ny3Cz3 wird anschließend mit folgenden Parametern aufgebracht:
Ar = 300 mln, N2 = 60 mln
P(Si) = 2,84 W / cm2; Flächenleistung für Target Silizium
P(C) = 3,5 W / cm2; Flächenleistung für Target Kohlenstoff
Schichtdicke = ca. 15 nm.
Unterstützend oder alternativ kann die Korrosionsschutzeigenschaft auch erzielt bzw. verbessert werden, in dem die Kathoden nicht sämtlich senkrecht auf die Stahloberfläche gerichtet sind, sondern leicht gegenüber der Vertikalen geneigt – mit dem Effekt, dass ein gleichmäßigeres Schichtwachstum ermöglicht wird.
Eine weitere Möglichkeit, die Korrosionsbeständigkeit zu erreichen oder zur verbessern besteht darin, zwischen jeweils zwei Kathoden eine Vorrichtung für eine mechanische, statische Oberflächenreinigung zu installieren – dahingehend, dass eine Art Tuch oder Metall- oder Kunststoffschürze über die Oberfläche geführt wird, während die Stahlsubstrate in der Beschichtungskammer entlang bewegt werden. Dadurch wird eine Veränderung auf der zum Teil beschichteten Oberfläche bewirkt – dahingehend, dass die möglicherweise bei der vorhergehenden Beschichtung entstandenen Pinholes sich nicht fortpflanzen, sondern geschlossen werden und sich durch die folgende Schicht möglicherweise neu entstehenden Pinholes auf bereits dichten Bereichen der vorhergehenden Schicht bilden. Dadurch wird eine insgesamt dichtere und dadurch auch korrosionsbeständigere Schicht erzeugt. Aufgrund der geringen Gesamtschichtdicke werden Schichteigenspannungen nahezu vollkommen vermieden und das Umformen der beschichteten Stahlbleche stellt kein Problem dar. Bei der Herstellung der Ausführungsform A1 ist nur ein Targetmaterial notwendig, um die gewünschte Beschichtung zu realisieren. Ebenso entfällt eine aufwändige Gastrennung zwischen den Sputterquellen. Die mechanische und chemische Beständigkeit der Beschichtung wird dadurch erreicht, dass ausschließlich keramische Materialien zum Einsatz kommen.
Das Herstellungsverfahren läuft somit sehr einfach ab. Nach einem Vorbereitungsschritt 40, in dem das Substrat gereinigt wird das Substrat in die eigentliche Prozesskammer die Vakuumkammer eingeführt. Hier wird in einem ersten Prozessschritt 41 mit einem Plasma die Oberfläche des Substrats gereinigt. Die Reinigung kann alternativ entfallen. In drei aufeinanderfolgenden Prozessschritten 42 bis 44 werden die Schichten 1, 2, 3 erzeugt, wobei die Schritte ineinander übergehend sind und ein Verlauf der Materialienkonzentrationen zwischen den Schichten erfolgt.
Im letzten Schritt 45 wird das Substrat aus der Prozesskammer entnommen.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass das hier beschriebene Dünnschichtsystem konventionelle Korrosionsschutzschichten für Stahloberflächen vollständig ersetzen kann. Durch die verwendete Technologie, das reaktive Kathodenzerstäuben, wird auch eine sehr umweltschonende Herstellung gewährleistet, die auch von den Herstellungskosten her in einem wettbewerbsfähigen Bereich liegen.
Bezugszeichenliste

1: Haftvermittlungsschicht
2: Diffusionsbarriere
3: dritte Schicht
10: Substrat
11: Übergang
20: Magazin
21, 22, 23: erste, zweite dritte Vakuumkammer
30, 31: Auf-Abrolleinheit
32: Vakuumkammer
40: Reinigungsschritt
41: Plasmareinigung
42, 43, 44: Sputtern der Schichten
45: Entnahme des Substrats

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013166429 [0003]

Claims

Beschichtetes Stahlbauteil, wobei ein Substrat aus Stahlblech einem Warmumformungsprozess zuführbar ist und eine nichtmetallische Beschichtung auf Siliziumbasis in einem Schichtaufbau besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass drei funktionale Schichten (1, 2, 3) der Zusammensetzung SiOxNyCz vorhanden sind, wobei x zwischen 30 und 70 % liegt, y zwischen 0 und 35% und z zwischen 0 und 50% liegt.
Beschichtetes Stahlbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionalen Schichten eine Haftvermittlungsschicht (1), eine Diffusionsbarriere (2) und eine dritte, der Haftvermittlungsschicht (1) ähnlichen Schicht (3) umfassen.
Beschichtetes Stahlbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Haftvermittlungsschicht (1) und der dritten Schicht (3) nahezu kein Stickstoff vorhanden ist.
Beschichtetes Stahlbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht (3) unterschiedlich zu der ersten Schicht aufgebaut ist und einen Kohlenstoff- und Stickstoffanteil aufweist.
Beschichtetes Stahlbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Diffusionsbarriere (2) ein Stickstoffanteil von 34% vorhanden ist.
Beschichtetes Stahlbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zwischen den Schichten Übergänge (11) mit Gradienten von Stickstoffanteilen vorhanden sind.
Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils unter Verwendung einer reaktiven Kathodenzerstäubung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: Vorbereiten (40) des Substrats (10), Reinigen des Substrats mit einem Plasma (41), Aufbringen der Schichten (42, 43, 44), Entnahme (45) des Substrats.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte (41 bis 44) in einer Prozesskammer stattfinden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte (42 bis 44) unter gleichen Prozessdruck stattfinden.
Verfahren nach Anspruch 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte (42 bis 44) ein einziges Target Material benötigen.
Verfahren nach Anspruch 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte (41 bis 44) allein die Prozessgase Argon, Sauerstoff und Stickstoff in unterschiedlichen Konzentrationen vorwendet werden.
Herstellungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüche 7 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine in-line Anlage ist, in der das Substrat (10) im Batch-Betrieb ein- und ausgebracht wird.
Herstellungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüche 7 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine roll-to-roll Anlage für das kontinuierliche Ein- und Ausbringen des Substrats ist.